KR20160078690A

KR20160078690A - 연속주조기용 압연롤 제조방법

Info

Publication number: KR20160078690A
Application number: KR1020140188572A
Authority: KR
Inventors: 이상철; 이봉근; 한일욱; 이동렬; 김정길
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-07-05
Also published as: KR101674768B1

Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 중량%로 C: 0.04~0.4%, Si:0.2~1.2%, Mn:1.5~2.3%, P:0.025%미만, S:0.025%미만, Cr:13~20%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접 재료를 이용하여 탄소강으로 이루어진 압연롤의 표면에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 용접 재료를 이용하여 상기 버퍼층 상에 육성층을 형성하는 단계; 및 상기 육성층의 적어도 일부를 절삭하는 단계;를 포함하는 연속주조용 압연롤을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

연속주조기용 압연롤 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF CONTINUOUS CASTING ROLL WITH EXCELLENT HIGH TEMPERATURE ANTI-ABRASION}

본 발명은 고온 내마모성이 우수한 압연롤 제조방법에 관한 것이다.

철강 생산에 있어서 압연공정은 생산성과 밀접한 연관을 맺고 있으며, 그 중 압연롤의 수명은 생산성 및 제품의 품질에 큰 영향을 준다. 이러한 압연롤은 고온의 슬라브와 직접적으로 맞닿게 되므로 고온 내식성, 고온 내마모성 및 고온 충격인성을 요구한다. 또한 최근 신강종의 개발과 더불어 더욱 더 가혹한 연속주조조건이 적용되면서, 압연롤 성능 및 수명 향상에 대한 요구가 커지고 있다. 고합금의 성분으로 압연롤 전체를 만드는 것이 가장 이상적이나, 비용측면에서의 효율성을 높이고자, 공구용 탄소강의 표면에 고합금의 용접재료를 사용하여 육성하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 현재 사용되고 있는 연주용 압연롤은 모재인 탄소강과 고합금 성분의 육성부분 사이에서 박리현상이 발생하는 경우가 있고, 또한 육성부분의 균열이 발생하는 경우가 많아 생산성 저하 및 생산비용 증가의 원인이 된다.

본 발명은 고온 내마모성 및 고온 충격인성이 우수한 압연롤의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예는 중량%로 C: 0.04~0.4%, Si:0.2~1.2%, Mn:1.5~2.3%, P:0.025%미만, S:0.025%미만, Cr:13~20%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접 재료를 이용하여 탄소강으로 이루어진 압연롤의 표면에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 용접 재료를 이용하여 상기 버퍼층 상에 육성층을 형성하는 단계; 및 상기 육성층의 적어도 일부를 절삭하는 단계;를 포함하는 연속주조용 압연롤의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 용접 재료는 Ni:2.3~3.7%, Mo:4.0%이하, Ti:0.02%이하, V:5.0%이하, Nb: 5.0%이하, W:6.0%이하, N:0.4%이하, B:0.01%이하로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 버퍼층을 형성하는 단계 및 상기 육성층을 형성하는 단계는 서브머지드 아크 용접법에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온 내마모성 및 고온 충격인성이 우수하고, 박리성이 저감된 압연롤을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압연롤을 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

일반적인 연주용 압연롤의 경우 고온 충격인성 및 고온 내마모성을 가지는 고합금 성분의 용접재료를 탄소강에 육성하여 접합을 하게 된다. 이러한 경우, 사용 중 모재와 박리가 발생하고, 또한 사용 중 육성층의 균열이 발생하게 된다.

본 발명자들은 육성층와 모재 사이에 버퍼층(buffer layer)을 적용할 경우 앞서 언급한 박리의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 육성층의 합금조성을 적절히 제어함으로써 고온 내마모성 및 고온 충격인성을 향상할 수 있다는 점을 인지하여 본 발명을 진행하게 되었다.

한편, 상기 버퍼층 및 육성층을 형성하기 위한 서브머지드 아크용접(Submerged Arc Welding, SAW)용 용접 재료는 그 직경에 있어 차이가 있을 뿐, 동일한 성분계로 제조될 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에서는, 연주용 압연롤의 표면에 고온 내마모성 및 고온 충격인성이 향상된 용접 재료를 이용한 육성 용접이 실시될 수 있다. 먼저, 상기 용접 재료를 이용하여 연주용 압연롤의 표면에 버퍼층을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 용접 재료를 이용하여 버퍼층 상에 육성층을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 육성 용접 방법은 서브머지드 아크 용접법을 이용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접재료는 중량%로 C:0.04~0.4%, Si:0.2~1.2%, Mn:1.5~2.3%, P:0.025%미만, S:0.025%미만, Cr:13~20%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

탄소(C): 0.04~0.4 중량%

탄소는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이며, 본 발명에서는 필수적인 원소이다. 그러나, 용접 와이어 중에서는 이러한 탄소성분이 낮더라도 플럭스로부터 충분한 양의 탄소를 혼입시킬 수 있으므로. 탄소 함량의 하한은 0.04중량%로 한정하여도 충분하다. 다만, 탄소 함량이 0.04중량% 미만이 내마모성이 급격히 저하되는 문제점이 발생한다. 반면 탄소의 함량이 0.4중량%를 초과하는 경우 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, 탄소의 함량은 0.04~0.4중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

규소(Si): 0.2~1.2중량%

규소의 함량은 0.2중량% 미만인 경우에는 용접금속내의 탈산효과가 불충분하고 용접금속의 유동성을 저하시킬 수 있다. 반면에, 실리콘의 함량이 1.2중량%를 초과하는 경우에는 용접금속 내의 편석 등을 유발하여 저온 충격인성을 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.2~1.2중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 1.5~2.3중량%

망간(Mn)은 용접 중 산소, 황과 반응해 탈산, 탈황을 수행하는 역할을 한다. 탈산 및 탈황 작용을 위해 망간(Mn)은 1.5 중량% 이상 첨가한다. 반면, 망간(Mn)의 함량이 2.3 중량%를 초과하면 용융금속의 유동성이 감소하여 용입 감소 및 아크 불안정의 문제점이 발생한다. 따라서, 망간(Mn)의 함량은 1.5~2.3 중량%가 바람직하다.

크롬(Cr): 13~20중량%

크롬(Cr)은 페라이트 형성원소이지만 내고온강도 확보하는 역할을 한다. 내고온강도 확보를 위해 크롬(Cr)은 13 중량% 이상 첨가한다. 다만, 크롬(Cr)의 함량이 20중량%를 초과하면 고온에서 페라이트 및 크롬탄화물이 형성되어 인성이 저하하는 문제점이 있다. 따라서, 크롬(Cr)의 함량은 13~20 중량%가 바람직하다

인(P): 0.025중량% 미만

인(P)은 용접 시 고온 균열(Crack)을 조장하는 불순 원소이기 때문에 가능한 한도에서 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 따라서, 고온에서의 균열 방지를 위하여 그 상한을 0.025%미만으로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.025중량% 미만

황(S)은 인(P)과 함께 용접 시 고온 균열(Crack)을 조장하는 불순 원소이기 때문에 가능한 한도에서 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.025중량% 이상인 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온 균열(Crack)을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 고온에서의 균열 방지를 위하여 황의 함량은0.025중량% 미만으로 한정하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 합금성분 범위는 본 발명의 용접재료에 바람직하게 적용될 수 있는 기본 성분계이며, 이하 설명되는 합금원소들의 첨가에 의하여 추가적으로 용접재료에 더 우수한 물성을 부여할 수 있다.

상기 용접 재료는 Ni:2.3~3.7%, Mo:4.0%이하, Ti:0.02%이하, V:5.0%이하, Nb: 5.0%이하, W:6.0%이하, N:0.4%이하, B:0.01%이하로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

질소(N): 0.4중량%이하(0제외)

질소(N)는 첨가 시 내식성을 향상시킴과 동시에 오스테나이트를 안정화시키는 성분으로서, 탄소와 거의 유사한 물성을 가져오는 원소이다. 따라서, 상기의 질소 성분은 탄소의 성분을 그대로 대체할 수 있다. 아울러, 다른 합금성분과 결합하여 질화물을 생성하는 경우 내마모 특성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 그 효과는 소량을 첨가하는 경우에도 나타남을 확인 할 수 있었다. 그러나, 그 함량이 0.4중량%를 초과하는 경우 충격인성이 저하가 크게 나타남으로 인해 질소의 함량은 0.4중량%(0제외) 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 2.3~3.7중량%

니켈(Ni)은 용접이음부의 내식성 및 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 니켈의 함량이 2.3중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 니켈의 함량이 3.7중량%를 초과할 경우 경제적으로 불리하므로, 본 발명에서는 상기 니켈의 함량을 3.7중량% 이하로 제어함이 바람직하다.

바나듐(V): 5.0중량% 이하(0제외)

바나듐(V)은 철강에 고용되어, 페라이트 및 베이나이트의 상변태 속도를 지연시켜 마르텐사이트의 형성을 쉽게하는 성분이다. 또한, 고용강화효과 및 석출경화를 일으키는 주요 원소로서 작용하게 된다. 그러나, 그 함량이 과도할 경우, 그 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 악화현상을 가져올 수 있으며, 강재의 제조원가를 증가시키는 원인이 됨으로 바나듐 함량은 5.0중량%(0제외) 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb): 5.0중량% 이하(0제외)

니오븀(Nb)는 석출경화효과를 통해 용접이음부의 강도를 향상시킬 수 있는 성분이다. 다만 그 함량이 과도할 경우 조대한 석출물이 생성되므로, 오히려 내마모를 감소시킬 수 있으며, 강재의 제조원가를 증가시키는 원인이 됨으로 니오븀 함량은 5.0중량%(0제외) 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 4.0중량% 이하(0제외)

몰리브덴(Mo)은 기지의 고용강화를 통해 용접이음부의 강도를 향상시킬수 있는 성분이다. 아울러, 상기 니오븀(Nb), 바나듐(V)과 유사하게 석출경화를 일으키는 주요원소로서 작용하게 된다. 다만, 몰리브덴의 함량이 과도하면 그 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 열화를 야기하고 강재의 제조원가를 현저히 증가시키게 된다. 따라서, 몰리브덴 함량은 4.0중량%(0제외) 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

텅스텐(W): 6.0중량% 이하(0제외)

텅스텐(W)은 기지의 고용강화를 통해 용접이음부의 강도를 향상시킬 수 있는 성분이다. 아울러, 상기 니오븀(Nb), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo) 유사하게 석출경화를 일으키는 주요원소로서 작용하게 된다. 다만, 텅스텐의 함량이 과도하면 그 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 열화를 야기하고 강재의 제조원가를 현저히 증가시키게 된다. 따라서, 텅스텐 함량은 6.0중량%(0제외) 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

붕소(B): 0.01 중량% 이하(0제외)

붕소(B)는 용접이음부 내 결정립계에 편석이 되는 특성을 나타낼 수 있다. 편석된 붕소는 결정립계의 강도를 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다. 붕소의 함량은 0.001 중량%만 첨가되어도 충분한 효과를 나타낼 수 있다. 그러나, 그 함량이 0.01 중량%를 초과하면 용접이음부 내의 강도 향상 효과는 크지만 저온 인성의 저하가 발생할 수 있다. 따라서 붕소의 함량은 0.01 중량% 이하로 할 수 있다. 이때, 붕소는 전혀 없어서는 안 되며 최소한의 양 이상을 첨가하여야 한다.

티타늄(Ti): 0.02%중량 이하(0제외)

티타늄(Ti)은 용접 시 아크 안정성 및 산화재로서 작용하여 용접이음부의 청정도를 증가시키는 원소이다. 다른 한편으로는 용접완료 후 용접이음부 내에 회수된 티타늄(Ti)은 산화물 및 질화물(혹은 탄질화물)을 생성시켜 용접이음부의 강도를 향상시키는 원소이다. 그러나 티타늄(Ti)이 용접 후 용접이음부 내에서 다량 함유된 경우에는 충격 인성을 저하시키게 되는데, 그 함량이 0.02중량%를 초과하면 강도 향상 효과는 크지만 인성을 저하시키는 원인으로 작용하게 되며, 가격 상승에 따른 경제성 하락이 발생하므로 그 상한을 0.02 중량%(0제외)로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 내마모성 및 고온 충격인성을 가지는 연주용 압연롤을 제조하는 방법을 설명한다.

도 1을 참조하면, 상기 조성의 용접 재료를 이용한 서브머지드 아크 용접법을 통해 탄소강으로 이루어진 압연롤(10)의 표면에 버퍼층(20)을 형성한 후, 이어서 상기 조성의 용접 재료를 이용한 서브머지는 아크 용접법을 통해 버퍼층 상에 육성층(30)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(20) 및 육성층(30)은 멀티 패스 웰딩에 의해 형성될 수 있다.

도시되지는 않았지만, 상기 조성의 용접 재료는 별도의 와이어 형태로 공급될 수 있다. 상기 버퍼층(20)을 형성하기 위한 용접 재료와 상기 육성층(30)을 형성하기 위한 용접 재료는 일부 성분의 조성(예를 들어, 탄소의 조성)이 다를 수 있다. 구체적으로, 상기 버퍼층(20)을 형성하기 위한 용접 재료는 상기 육성층(30)을 형성하기 위한 용접 재료에 비하여 탄소의 함량이 더 작을 수 있다.

다음으로, 육성층을 소정의 두께(예를 들어, 2.5mm 내지 3mm)만큼 밀링(milling) 공정을 통해 절삭할 수 있다. 이러한 방법으로 고온 내마모성 및 고온 충격인성이 향상되고, 육성층의 박리성이 저감된 연주용 압연롤을 제조할 수 있다.

이하에 실시예를 참조하여 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표 1에 기재된 바와 같이, 여러 조성을 갖는 용접재료를 이용한 서브머지드 아크 용접법을 통해 버퍼층 및 육성층을 형성하였고, 각 용접재료를 이용한 실시예들 및 비교예들에 대한 상온 경도 및 고온 경도를 평가하였다. 경도 평가는 25℃, 400℃ 및 800℃에 해당하는 세 가지 온도에서 수행되었다. 경도 평가 결과는 표 2에 나타내었다.

	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Ti	B	V	Nb	W	N
실시예 1	0.066	0.867	2.034	0.011	0.011	3.250	16.120	1.461	0.010	0.001	0.394	0.285	1.765	0.07
실시예 2	0.081	0.905	1.715	0.013	0.012	3.300	15.660	1.575	0.015	0.001	0.350	0.279	1.822	0.085
실시예 3	0.15	0.983	2.285	0.010	0.009	2.894	19.352	2.434	0.015	0.0017	0.291	0.042	3.831	0.07
실시예 4	0.14	0.695	1.632	0.010	0.011	3.594	18.241	2.985	0.014	0.0019	0.41	0.385	4.251	0.05
비교예 1	0.14	0.78	1.13	0.02	0.01	21.04	24.17	1.21	-	-	-	-	8.0	-
비교예 2	0.09	0.42	0.40	0.01	0.005	2.5	15.9	0.61	0.001	0.001	0.26	0.25	1.82	0.10

	상온 경도(HV)	고온 경도(HV)
	25℃	400℃	800℃
실시예 1	449	343	94
실시예 2	511	362	105
실시예 3	540	388	102
실시예 4	531	380	98
비교예 1	330	284	110
비교예 2	519	403	51

상기 표 1에서 실시예 1 내지 실시예 4는 본 발명에서 제어하는 성분 범위를 충족하는 용접 재료들이다. 비교예 1은 Mn 함량, Ni 함량, Cr 함량 및 W 함량이 본 발명에서 제어하는 범위를 벗어나고, 비교예 2는 Mn 함량이 본 발명에서 제어하는 범위를 벗어난다.

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 실시예 4는 상온 경도 및 400℃에서 측정된 고온 경도가 비교예 1에 비해 우수하며, 800℃에서 측정된 고온 경도가 비교예 2에 비해 우수하였다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 고온 내마모성 및 고온 충격인성이 향상된 연주용 압연롤을 제조할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 압연롤
20: 버퍼층
30: 육성층
40: 입상 플럭스
50: 용접 토치

Claims

중량%로 C: 0.04~0.4%, Si:0.2~1.2%, Mn:1.5~2.3%, P:0.025%미만, S:0.025%미만, Cr:13~20%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접 재료를 이용하여 탄소강으로 이루어진 압연롤의 표면에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 용접 재료를 이용하여 상기 버퍼층 상에 육성층을 형성하는 단계; 및
상기 육성층의 적어도 일부를 절삭하는 단계;를 포함하는 연속주조용 압연롤의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 용접 재료는 중량%로 Ni:2.3~3.7%, Mo:4.0%이하, Ti:0.02%이하, V:5.0%이하, Nb: 5.0%이하, W:6.0%이하, N:0.4%이하, B:0.01%이하로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속주조용 압연롤의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계에서 이용되는 상기 용접 재료는 상기 육성층을 형성하는 단계에서 이용되는 상기 용접 재료보다 탄소의 함량이 더 작은 것을 특징으로 하는 연속주조용 압연롤의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계 및 상기 육성층을 형성하는 단계는 서브머지드 아크 용접법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 연속주조용 압연롤의 제조 방법.